1. Lý do chọn đề tài
2.1.3.Phún xạ tạo màng
Thiết bị phún xạ catot
Hiện nay có rất nhiều phươngpháp được sử dụng để chế tạo màng mỏng như bốc bay nhiệt, bốc bay laze xung.Trong khóa luận này, phương pháp phún xạ được sử dụng để chế tạo màng và cảm biến mạch cầu Wheatstone dựa vào hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR).Ưu điểm của phương pháp phún xạ là dễ dàng chế tạo được màng với độ đồng đều cao. Đây là phương pháp lắng đọng pha hơi vật lý, trong đó các nguyên tử, cụm nguyên tử được tạo ra bằng cách bắn phá ion .
Bản chất của quá trình chế tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot là dùng các ion năng lượng cao (phổ biến là Ar) bắn phá bề mặt bia rắn để tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion và lắng đọng lên trên đế, tạo màng. Năng lượng của các ion này không chỉ phụ thuộc vào điện tích, mức độ được gia tốc của nó trong điện trường mà còn phụ thuộc vào khối lượng của nó.Chính vì điều này nên không phải khí nào cũng có thể làm khí phún xạ được.
21
Hình 2.4.Nguyên lý tạo màng mỏng bằng phương pháp phún xạ catot
Năng lượng của ion tới được chia làm hai phần cơ bản : Một phần để phân cắt các liên kết trên bề mặt bia vật liệu, tạo ra các nguyên tử, phân tử, ion riêng rẽ; phần còn lại được truyền thành động năng cho các phần tử này tán xạ ngược và lắng đọng lên đế. Năng lượng của các ion tới phụ thuộc vào điện trường (cụ thể là thế đặt giữa hai điện cực). Năng lượng liên kết của bia vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào bản chất hóa học và trạng thái tồn tại của nó. Mối tương quan giữa hai đại lượng này có ảnh hưởng quan trọng đến hiệu quả của quá trình lắng đọng.
Các thiết bị phún xạ (đều là phún xạ catot) vì quá trình phún xạ xảy ra trên bia vật liệu gắn lên cực âm. Các thiết bị khác nhau chủ yếu là liên quan đến nguồn cấp cho điện cực để duy trì dòng plasma trong quá trình phún xạ: Nguồn một chiều – DC (DC - Sputtering), nguồn cao tầng – RF (RF - Sputtering), có hay không sự trợ giúp của từ trường (Mangetron), để tăng cường mật độ dòng plasma trên bề mặt bia vật liệu (Mangetron - Sputtering). Các thế hệ thiết bị phún xạ khác nhau chủ yếu ở mức độ tối ưu hóa cấu hình, mà quan trọng nhất là: Độ đồng nhất của màng, chân không cao nhất có thể đạt được, khả năng phối hợp trở kháng, độ ổn định và độ phân giải của nguồn cấp.
22
Quá trình phún xạ tạo màng mỏng trong khóa luận này được thực hiện trên thiết bị phún xạ catot ATC-2000FC.Hình 2.5là ảnh chụp thiết bị phún xạ catot ATC - 2000FC ở PTN Mircro & Nano Khoa Vật lý kĩ thuật-Trường đại học Công Nghệ.Cấu tạo thiết bị phún xạ gồm các bộ phận chính: buồng phún xạ, buồng phụ, bảng điều khiển, hệ thông van bơm,hút chân không. Thiết bị này còn được ghép với hệ thống máy tính để điều khiển các thông số trong quá trình lắng đọng tạo màng.
Chân không của buồng phún xạ (buồng chính) có thể đạt tới Torr, buồng phụ là Torr.Nhờ có buồng phụ mà chân không buồng chính luôn được giữ ổn định quá trình phún xạ. Do đó, sự ổn định tính chất của mấu luôn được giữ trong các lần chế tạo khác nhau. Buồng chính có hệ thống bơm sơ cấp và thứ cấp giúp có thể đạt được chân không cao trong thời gian ngắn, hạn chế nhiều khả năng nhiễm b n buồng phún xạ.
Buồng phụ (buồng chân không đệm) là buồng trung gian, được sử dụng để vận chuyển mẫu vào và ra từ buồng chính.Giữa buồng chính và buồng phụ được ngăn cách bởi 1 cách ngăn.Trong quá trình chế tạo, đế được đưa vào buồng phụ trước, sau đó buồng phụ được hút chân không cho đến khi áp suất tại buồng phụ chênh lệnh khoảng 2 bậc (5x Torr) so với buồng chính thì mới được mở vách ngăn và chuyển mẫu vào buồng chính.
Trong khóa luận này, chúng ta sử dụng các bia vật liệu NiFe, Ta, Cu với chiều dày từ 3-6mm, đường kính 2 inch. Các bia vật liệu Ta, Cu được phún xạ sử dụng nguồn DC, còn bia vật liệu từ NiFe được phún xạ sử dụng nguồn RF.
23
Hình 2.5. Thiết bị phún xạ catot
Hình 2.6.. Mặt nạ tạo màng điện trở
Phún xạ tạo màng điện trở : Khi đế được làm sạch và được gắn mặt nạ được cắt bằng máy laser như hình 2.2, được đưa vào trong thiết bị phún xạ để tạo thanh điện trở.
Trong quá trình phún xạ, mẫu được ghim trong từ trường 600 Oe (từ trường này dùng để tạo dị hướng cho cảm biến).Trong quá trình chế tạo, để đảm bảo cho màng đồng nhất trong suốt quá trình chế tạo, đế giữ mẫu được quay tròn với tốc độ 30 vòng/phút. Màng có cấu trúc ba lớp Ta/ /Ta trong đó, lớp Ta dưới cùng đóng vai trò là lớp đệm, giúp bám dính tốt hơn. Lớp Ta trên cùng đóng vai trò lớp phủ bảo vệ cho lớp
24
chống lại quá trình oxy hóa khi đặt ngoài không khí. Thông số của quá trình phún xạ tạo lớp điện trở được nêu ở bảng .
Bảng 2.2. Thông số quá trình phún xạ điện trở
Vật liệu Chân không cơ sở (Torr) Áp suất khí Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2 x 2,2 25 30 5 2 x 2,2 75 30 5 Phún xạ tạo màng điện cực
Để kết nối các thanh điện trở với nhau để tạo thành mạch cầu Wheatstone và tạo điện cực, các điện cực bằng Cu đã được chế tạo.Quy trình phún xạ giống như quá trình phún xạ tạo màng điện trở, điểm khác của quá trình này là chúng tôi sử dụng mặt nạ điện cực và phún xạ lớp vật liệu có cấu trúc Ta/Cu.
Trong đó, Ta là lớp vật liệu được sử dụng để tạo bám dính tốt cho lớp vật liệu Cu, Cu là lớp vật liệu có độ dẫn cao (= 58 x S/m). Thông số phún xạ tạo điện cực được nêu ở bảng.
Hình 2.7. Mặt nạ tạo điện cực Bảng 2.3. Thông số phún xạ điện cực Vật liệu Chân không cơ sở (Torr) Áp suất khi Ar (mTorr) Công suất phún (W) Vận tốc quay đế (prm) Chiều dày màng (nm) Ta 2 x 2,2 25 30 5 Cu 2 x 2,2 30 30 15
25
Hình 2.8. Cảm biến đã được đóng gói
2.2. Các phƣơng pháp khảo sát tính chất cảm biến 2.2.1. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Từ kế mẫu rung là thiết bị quan trọng và phổ biến cho các phép đo từ tổng cộng M của một mẫu vật liệu từ trong từ trường ngoài. Từ kế mẫu rung hoạt động trên nguyên tắc của hiện tượng cảm ứng điện từ. Sự biến thiên từ thông 𝛥 qua cuộn dây cảm ứng gây bởi sự dịch chuyển của mẫu. Mẫu đo được gắn vào một thanh rung không có từ tính, và được đặt vào một vùng từ trường đều tạo bởi hai cực của nam châm điện. Mẫu là vật liệu từ nên trong từ trường thì nó được từ hóa và tạo ra từ trường cảm ứng. Khi mẫu được rung với tần số nhất định, từ thông do mẫu tạo ra qua cuộn dây thu tín hiệu sẽ biến thiên và sinh ra suất điện động cảm ứng V, có giá trị tỉ lệ thuận với momen từ M của mẫu:
V ~ 4.π.n.S.M Với :
M là momen từ của mẫu đo
S là tiết diện vòng dây (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
n là số vòng dây của cuộn dây thu tín hiệu
Trong các hệ từ kế phổ thông, người ta sử dụng cặp cuộn dây pick-up (pick-up coil) để thu tín hiệu. Đây là hệ hai cuộn dây đối xứng nhau được cuốn ngược chiều trên lõi là một vật liệu từ mềmxem trên hình .
26
Để khảo sát tính chất từ và quá trình từ hóa của màng mỏng, chúng tôi sử dụng hệ đo từ kế mẫu rung VSM Lake Shore 7430 ở nhiệt độ phòng tại phòng thí nghiệm Micro – nano, trường đại học Công nghệxem hình 2.9. Trong khóa luận này các cảm biến được ứng dụng trong từ trường thấp, do đó các khảo sát tính chất từ của cảm biến được đo trong vùng từ trường từ -200 Oe đến 200 Oe.
Hình 2.9. Thiết bị từ kế mẫu rung VSM
Hình 2.10. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị VSM
2.2.2. Khảo sát tính chất từ điện trở cảm biến
Hiệu ứng từ điện trở nghiên cứu ở đây được thực hiện thông qua việc khảo sát sự thay đổi điện thế lối ra (hoặc điện trở) cảm biến dưới tác dụng của
27
từ trường. Chúng ta sẽ dùng phương pháp 4 mũi dò để đo từ trở của các màng mỏng chế tạo cảm biến. Phương pháp đo điện trở bằng 4 mũi dò là một phương pháp chính xác, thuận tiện. Phương pháp này có thể được sử dụng để đo cả vật liệu dạng khối lẫn dạng mỏng. 2.11minh họa sơ đồ bố trí bốn mũi dò. Các mũi dò được bố trí cách đều nhau một khoảng cách s trên một đường th ng dọc theo theo chiều dài hình học của mẫu. Các mũi dò được làm bằng kim loại mạ vàng, đầu tiếp xúc với về mặt mẫu có hình chỏm cầu đảm bảo tiếp xúc với mẫu là tiếp xúc điểm. phía còn lại của mũi dò đều được thiết kế với một lò xo đàn hồi để đảm bảo các mũi dò tiếp xúc chặt với mẫu nhưng không phá hủy bề mặt mẫu.
Hình 2.11.Sơ đồ bố trí bốn mũi dò
Hiệu ứng từ điện trở của cảm biến được nghiên cứu trong khóa luận nhờ vào hệ đo được bố trí như trên hình 2.12:
28
Hình 2.12. Sơ đồ khối của hệ đo từ điện trở
4 chân được nối với cảm biến: hai chân để cấp dòng không đổi bởi nguồn một chiều (DC Curent Source). Hai chân còn lại để lấy thế lối ra và được đo bằng máy Keithley 2000.
Nam châm điện tạo từ trường một chiều lên tới 1T.
Bộ phận đo từ trường là một Gausmeter với đầu đo từ trường sử dụng biến tử Hall. Tín hiệu lối ra của Gausmeter được đưa vào đồng hồ vạn năng Keithley 2000.
Tín hiệu lối ra của Keithley được truyền sang máy tính điện tử thông qua Card IEEE-488. Toàn bộ quá trình thu thập số liệu của hệ đo được thực hiện dưới sự điều khiển tự động của chương trình phần mềm viết bằng ngôn ngữ Mathlab.
Kết quả phép đo được hiển thị ra màn hình dưới dạng đồ thịtrục tung là hiệu điện thế lối ra của cảm biến U (mV) và trục hoành là từ trường ngoài
(T) và được ghi trên đĩa cứng máy tính ở dạng tệp số liệu.
Để thực hiện phép đo từ - điện trở, ban đầu chúng tôi đưa cảm biến vào hốc cảm biến bằng meca (được chế tạo bằng máy cắt laser như đã được trình bày mục 2.1.2) và hàn dây, gắn điện cực cho cảm biến.
29
Kết luận
Như vậy trongchương này đã nêu ra các phương pháp thực nghiệm chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ, quy trình chế tạo linh kiện, mặt nạ cảm biến bằng máy laser. Các thông số trong quá trình chế tạo màng và linh kiện, mặt nạ cũng được đưa ra trong phần này. Ngoài ra các thiết bị và phương pháp khảo sát tính chất vật lý của mẫu đã được đưa ra bao gồm hệ đo tính chất từ (VSM) và hệ đo 4 mũi dò khảo sát tính chất từ - điện trở.
30
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến
Sau khi lựa chọn vật liệu chế tạo cảm biến là NiFe, chúng tôi khảo sát tính chất từ điện trở của màng mỏng chế tạo cảm biến thông qua phép khảo sát 4 mũi dò như hình 3.2
Hình 3.1. Mô hình phép khảo sát 4 mũi dò trên màng mỏng
Quan sát hình 3.2 ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít lên nhau, đây là do hiện tượng từ trễ trong vật liệu sắt từ. Màng mỏng có sự thay đổi điện áp U = 0,3 mV, giá trị này rất nhỏ do giá trị điện trở của mảng mỏng nhỏ. Ngoài ra do ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài, đặc biệt là nhiễu nhiệt mà màng mỏng có tín hiệu nhiễu nền lớn. Do đó, để hạn chế nhiễu nền, chúng tôi lựa chọn cấu hình mạch cầu Wheatstone làm cấu hình cho cảm biến. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.2. Sự thay đổi điện áp của màng mỏng theo từ trường với I = 5mA trong dải từ -50 50 Oe.
31
3.2. Khảo sát tính chất từ của cảm biến
Quá trình khảo sát tính chất từ và đường cong từ hóa của cảm biến được thực hiện nhờ thiết bị từ kế mẫu rung VSM. Hình 3.3là đường cong từ hóa của cảm biến cầu tròn đường kính d = 3 mm khi khảo sát tính chất từtheohai phương:
1. Từ trường ngoài (H) song song với phương ghim (phương từ hóa dễ). 2. Từ trường ngoài vuông góc với phương từ hóa dễ.
3. Qua đường cong ta nhận thấy rõ được sự khác biệt về dị hướng theo phương ghim của cảm biến. Đường cong từ hóa theo phương vuông góc với phương ghim có sự thay đổi dần dần theo từ trường ngoài và đạt giá trị bão hòa tại từ trường lớn = 20 Oe. Điều này là do quá trình quay moment từ theo phương của từ trường ngoài trong trường hợp vuông góc là khó. Trong khi đó, theo phương song song với phương ghim có sự đảo từ rất rõ nét thông qua sự thay đổi đột ngột và dễ dàng đạt giá trị bão hòa. Đó là do các moment từ trong lòng vật liệu lúc đầu đã được định hướng gần với phương từ trường ngoài (do quá trình ghim với từ trường cao trong khi phún xạ, chế tạo màng) nên chỉ cần với từ trường nhỏ cũng đủ để định hướng các moment từ theo hướng từ trường ngoài.
4. Ngoài ra chúng ta còn thấy được cảm biến có lực kháng từ nhỏ ( = 5 Oe), do đó thể hiện được tính từ mềm, điều này rất quan trọng vì tính từ mềm sẽ trông đợi được độ nhạy của cảm biến lớn trong vùng từ trường nhỏ.
32
Hình 3.3. Đường cong tỉ đối M/ theo lần lượt a) phương song song và b) vuông góc với trục từ hóa dễ
Bảng 3.1. Thông số trong đường cong tỉ đối M/ theo phương song song và vuông góc với trục dễ
Cảm biến cầu tròn d =3 mm Chiều dày màng 5nm 12 4 20 5
33
3.3. Kết quả chế tạo cảm biến
Khảo sát tính chất từ - điện trở của mạch cầu Wheatstone dạng tròn đƣờng kính d = 3mm.
Hiệu ứng từ - điện trở của cảm biến được nghiên cứu ở đây khảo sát thông qua phép đo sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài sử dụng hệ đo từ điện trở như đã được trình bày. Trong quá trình đo, cảm biến được cấp dòng một chiều có cường độ lần lượt là 1,3,5 và 10 mA. Từ trường ngoài tác dụng theo phương vuông góc với phương ghim của cảm biến hình 3.4.
Hình 3.4. Mô hình lấy tín hiệu của cảm biến
Đường cong của với dòng cấp là 1 mA thể hiện sự thay đổi điện áp lối ra theo từ trường ngoài trong dải -80 Oe 80 Oe(hình 3.5).Từ đồ thị ta thấy ở ngoài khoảng từ -60 60 Oe thì tín hiệu lối ra của cảm biến gần như không thay đổi (vùng bão hòa). Đó là do trong vùng từ trường này xảy ra quá trình bão hòa từ độ của màng mỏng từ dùng trong chế tạo cảm biến (các moment từ đều quay về cùng một hướng và giữ ổn định trạng thái đó). Khi đó góc giữa phương từ độ và dòng cấp cho cảm biến không bị ảnh hưởng của từ trường ngoài dẫn đến điện trở lối ra cảm biến không thay đổi (bão hòa). Khi giảm từ trường về thì các moment từ có xu hướng quay về vị trí ban đầu (theo phương ghim nhân tạo) nên dẫn tới sự thay đổi về góc giữa từ độ M và phương của dòng cấp I. Điều này dẫn tới một sự thay đổi điện trở của từng phần tử cấu thành mạch cầu. Từ đó làm thay đổi của điện áp lối ra.Mặc khác trên đường cong tín hiệu, ta thấy đường đi và đường về không hoàn toàn trùng khít với nhau, đó là do hiện tượng từ trễ, hiện tượng này đã được mô tả trong đường cong từ hóa ởhình 3.3. Sự phụ thuộc của điện áp lối ra trong vùng từ trường -
34
10 -20 Oe của cảm biến(vùng được khoanh đỏ ở hình 3.5), đây là vùng từ